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超強激光科學卓越創新簡報

(第七百零一期)

2025年9月2日

上海光機所在ZnS晶體–鈦合金異質材料高強度超快激光焊接領域取得重要進展

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所高端光電裝備部楊上陸研究員團隊在異質材料超快激光連接領域取得突破性進展。團隊首次實現了無需中間層的ZnS晶體與Ti-6Al-4V鈦合金的高強度直接焊接，有效解決了傳統連接方式中殘余應力高、連接強度低、易引入污染雜質等關鍵難題，并深入揭示了接頭成形與強度生成機制。相關研究成果以“Ultrafast Laser Direct Welding of Dissimilar Materials: ZnS Crystals and Titanium Alloys”為題，發表于Optics Express。

ZnS（硫化鋅）晶體作為紅外光學窗口、探測器外殼等關鍵部件材料，具備寬波段透過性和優良的力學性能。它與金屬之間實現穩定、可靠的集成，對推動高端紅外成像、復雜光學系統、先進傳感設備的工程化發展具有重要意義。然而，由于兩種材料在熱膨脹系數、化學性質和力學性能上的嚴重不匹配，長期以來其連接多依賴膠接或金屬中間層釬焊，不僅強度有限，還易產生污染和殘余應力。

針對上述挑戰，團隊采用超快激光作為高精度能量輸入手段，聚焦激光脈沖在微米尺度實現ZnS晶體與鈦合金界面的局部熔融，最終在無中間層條件下成功構建了平整、連續的異質連接界面。接頭剪切強度達到67.7 MPa，較傳統釬焊工藝提升85%，而殘余應力僅為0.286 GPa，約為傳統連接的13%，顯著改善了界面穩定性。研究揭示了異質接頭的連接主要依賴于ZnS在激光局部熔融后的界面化學鍵合過程，并且進一步提出了一種微孔輔助強化機制，即熔融ZnS在快速凝固過程中自然形成的微米孔洞能夠有效阻礙裂紋的擴展路徑，提升斷裂韌性，從而提升了接頭強度。

此外，該技術已在大尺寸構件上完成驗證，實現了從微尺度元器件到毫米級光窗的穩定焊接，展現出良好的工藝兼容性與可擴展性；為超快激光在先進光電封裝、航天器關鍵部件以及微機電系統（MEMS）中的異質材料可靠連接奠定了理論基礎與技術支撐，展示了其在高端制造領域的廣闊應用前景。

相關工作得到國家重點研發計劃的支持。

原文鏈接

圖1. ZnS與Ti-6Al-4V皮秒激光焊接示意圖 (a)；試片疊放方式示意圖 (b)；單脈沖加工區域的截面形貌與主要元素分布 (c) 以及截面不同測量位置處的拉曼光譜 (d, e)；Ti-6Al-4V側的斷口形貌與主要元素分布 (d)以及ZnS側的斷口形貌 (g, h)

圖2. ZnS/Ti-6Al-4V接頭剪切試樣 (a)；大尺寸連接試樣 (b)；不同激光通量下接頭的強度-位移曲線 (c)以及接頭強度隨激光通量變化柱狀圖 (d)